Toimittaja Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Käytössä oleva titaanioksidikatalyytti: TiO2
Kemiassa PCO on fotoreaktion kiihdyttäminen katalyytin läsnä ollessa. Katalysoidussa fotolyysissä valo absorboituu adsorboituneeseen substraattiin. Fotokatalyyttinen aktiivisuus riippuu katalyytin kyvystä luoda elektroni-aukkopareja, jotka synnyttävät vapaita radikaaleja (hydroksyyliradikaaleja: OH), jotka kykenevät hapetusreaktioihin. Sen ymmärtäminen on tullut mahdolliseksi siitä lähtien, kun veden elektrolyysi keksittiin titaanidioksidin avulla. Prosessin kaupallista soveltamista kutsutaan kehittyneeksi hapetusprosessiksi (Advanced Oxidation Process, AOP), ja sitä käytetään vedenkäsittelyyn.
Titaanidioksidi, erityisesti anataasimuodossaan, on fotokatalyytti ultraviolettivalossa. Hiljattain on havaittu, että titaanidioksidi, kun se on terästetty typpi-ioneilla tai seostettu metallioksidilla, kuten volframitrioksidilla, on myös fotokatalyytti näkyvässä ja UV-valossa. Positiivisten reikien voimakas hapetuspotentiaali hapettaa vettä hydroksyyliradikaaleiksi. Se voi myös hapettaa happea tai orgaanisia materiaaleja suoraan. Titaanidioksidia lisätään näin ollen maaleihin, sementteihin, ikkunoihin, laattoihin tai muihin tuotteisiin niiden sterilointi-, hajunpoisto- ja antifouling-ominaisuuksien vuoksi, ja sitä käytetään myös hydrolyysikatalysaattorina.
Vaikka tämä tekniikka näyttääkin täydellisesti siirrettävältä ilmaan, on olemassa yksi keskeinen käytännön varoitus, joka tuli hiljattain esiin: titaanioksidi ”myrkyttyy” piidioksidin vaikutuksesta, ja sen hyödyllinen kestoikä heikentyy pahasti. Kun tästä tekniikasta oli saatu pidempiaikaisia kokemuksia ilmassa, havaittiin, että PCO hajoaa vähitellen ja menettää suurimman osan hapettumispotentiaalistaan vuoden kuluessa tai vähemmän.
Piidioksidin vaikutus titaanioksidin neutraloijana on hyvin tunnettu aurinkovoideteollisuudessa. Jokainen fysikaalista estoainetta sisältävä aurinkosuojavoide sisältää titaanidioksidia sen voimakkaan UV-valoa absorboivan ominaisuuden vuoksi, mikä estää UV-säteilyn pääsyn iholle. Imeväisille tai henkilöille, joilla on herkkä iho, suunnitellut aurinkovoiteet perustuvat usein titaanidioksidiin ja/tai sinkkioksidiin, koska nämä mineraaliset UV-salpaajat aiheuttavat vähemmän todennäköisesti ihoärsytystä kuin kemialliset UV-absorberiainekset, kuten avobentsoni.
Mutta jotta vältettäisiin karsinogeenisten radikaalien syntyminen iholla fotokatalyyttisen reaktion aktiivisuuden vuoksi, aurinkosuojissa käytettävät titaanidioksidihiukkaset on tarkoituksellisesti päällystetty piidioksidilla. Piidioksidin lisääminen neutraloi tehokkaasti titaanioksidin fotokatalyyttiset ominaisuudet, mikä tekee aurinkosuojatuotteesta vaarattoman.
Koska piidioksidia esiintyy yleisesti kotitalouskäyttöön tarkoitetuissa sovelluksissa, kuten saumausaineissa ja monissa muissa materiaaleissa, PCO-titaanioksidi on piidioksidin saastuttama, ja se menettää puolet aktiivisuudestaan kolmen kuukauden kuluessa. Tämä tarkoittaa, että 6 kuukauden kuluttua sen tehokkuus on 50 %, 9 kuukauden kuluttua 25 % ja vuoden kuluttua vain 12,5 %. Sen jälkeen se ei enää toimi riittävästi ilmanpuhdistuslaitteena. Tämä on tärkein syy siihen, miksi vakavasti otettavat yritykset ottavat nyt askeleen taaksepäin ja jopa luopuvat tavallisen titaanioksidipohjaisen PCO:n ihmeellisistä lupauksista hajunpoistoratkaisuna.
Uusi koboltin fotokatalyyttinen hapetus (Co-PCO)
UV-valon käyttö puhtaan ilman ja vesivarojen aikaansaamiseksi fotokatalyyttisen hapetuksen avulla on ollut tiedemiesten maailmanlaajuinen tavoite(1,2,3) viimeisten kahden vuosikymmenen ajan. Fotokatalyysi on laajalti yleinen termi, joka koskee kemiallista hapetusreaktiota, jonka mahdollistaa fotonien aktivoima katalyytti, jota kutsutaan yleisesti PCO:ksi ilmanpuhdistusteollisuudessa.
PCO-katalyytti koostuu metallioksidipuolijohteesta, tavallisesti titaanioksidista (TiO2), jolla on kaistanhalkaisijan energia, joka sallii ultraviolettivalon fotonien imeytymisen tuottamaan elektronireikäpareja, joita kutsutaan nimellä ”aktiiviset kohdat”, jotka voivat käynnistää kemiallisen reaktion. Titaanioksidipitoisen PCO:n energiakaista-aukko keskittyy 360 nm:n fotoneihin, mikä on UV-A-alueen (315-400 nm) keskellä. Tämä on melko kaukana tavallisten bakterisidisten lamppujen UV-C-alueesta, jotka säteilevät suurimman osan fotonienergiastaan 254 nm:n aallonpituudella, ja se selittää osittain nykyisten titaanioksidipohjaisten PCO-ilmanpuhdistimien, joissa käytetään matalapaineisia elohopealamppuja, melko harhaanjohtavan tehokkuuden. Tämä alhainen hyötysuhde on pääasiassa vastuussa vaarallisten sivutuotteiden, kuten formaldehydin, muodostumisesta. Toinen merkittävä este varsinaisen PCO:n käyttöönotolle on sen lyhyt käyttöikä, joka johtuu katalyytin myrkyttymisestä piidioksidilla. Piidioksidi, joka on tavallisen hiekan pääainesosa, on kaikkialla läsnä jokapäiväisessä ympäristössämme. Siloksaanit on todettu nykyisen PCO:n deaktivoitumisen perimmäiseksi syyksi(4). Koska deaktivoituminen vähentää käytettävissä olevien aktiivisten paikkojen määrää, epätäydellinen hapettuminen yleistyy, mikä edistää sivutuotteiden syntymistä.
Kobolttioksidin lisäämisen perusvaikutus on katalyytin energiakaistan raon siirtäminen kohti korkeamman energian fotoneja, jotka ovat lähempänä matalapaineisten elohopealamppujen lähettämiä 254 nm:n fotoneja. Koska kobolttia tehostettu katalyytti kykenee absorboimaan korkeammalla energialla, sen fotokatalyyttinen aktiivisuus riittää kotitalouksien VOC-yhdisteiden täydelliseen hapettamiseen(5,6) ja formaldehydin, asetaldehydin ja muiden epätäydellisesti hapettuneiden sivutuotteiden ohimenevän muodostumisen välttämiseen. On syytä huomata, että kobolttikatalyytin korkeamman energian aktiivinen kaistanväli on paljon laajempi kuin varsinaisen titaanioksidin, ja sen todettiin olevan lähes epäherkkä piidioksidimyrkytykselle. Todelliset testit eivät ole osoittaneet kobolttikatalyytin aktiivisuuden merkittävää heikkenemistä kokonaisen vuoden käytön jälkeen.